堅硬頂板大采高沿空留巷圍巖控制技術研究

霍永鵬

（汾西礦業集團公司雙柳煤礦 ，山西 呂梁 033000）

0 引 言

雖然我國新能源產業正在蓬勃發展，但是目前煤炭作為我國重要的工業資源有著難以取代的優勢。我國的煤炭資源多為地下賦存，因此我國的煤礦多為井工開采，需要開鑿大量的巷道，并且大多數井下巷道都受采動影響。長期以來，對于受采動影響的回采巷道一般采用寬煤柱護巷。但是采用寬煤柱護巷有著諸多的缺點，例如資源浪費嚴重、煤炭采出率低、巷道變形嚴重以及煤柱應力集中嚴重等。因此根據上述的問題我國學者研究出了無煤柱沿空留巷技術，無煤柱沿空留巷技術在我國許多的礦井都取得了良好的效果。并且針對堅硬頂板我國著名學者何滿潮院士發明的切頂卸壓技術能夠很好的解決頂板問題。我國已掌握了軟弱以及中等堅硬頂板的沿空留巷的礦壓顯現規律，但對于堅硬頂板下的沿空留巷鮮有研究。

柏建彪等[1]分析沿空留巷頂板破斷垮落特征,建立了膏體材料巷旁充填沿空留巷的力學模型,提出了膏體材料巷旁支護體主要參數的確定方法,并將研究結果應用于工程實踐.李化敏[2]分析了沿空留巷頂板巖層運動的過程及其變形特征,明確了頂板巖層運動各階段巷旁充填體的作用,根據充填體與頂板相互作用原理,確定了各階段沿空留巷巷旁充填體支護阻力的控制設計原則,并建立了相應的支護阻力及合理壓縮量數學模型。陳勇等[3]揭示了沿空留巷巷內支護機理：采用高阻讓壓支護,提高沿空留巷圍巖承載能力和抗變形能力,適應沿空留巷階段性圍巖大變形與應力調整。

本文以雙柳煤礦33（4）16工作面為工程背景，通過理論分析以及數值模擬的方法對雙柳煤礦堅硬頂板條件下的沿空留巷進行了系統的研究。

1 工程概況

本次所研究的雙柳煤礦33（4）16工作面煤層厚度為3.9～4.5m，平均厚度為4.2m。工作面煤層賦存總體較穩定，變化不大。工作面煤層傾角1°～3°，平均傾角3°。工作面長200m，采用一次采全高的采煤方法，推進方向為由北向南沿煤層走向后退式。頂底板巖性見表1。

表1 頂底板情況

2 沿空留巷巷旁支護設計

柔?；炷裂乜樟粝锛夹g目前在許多礦井取得了很好的效果，其成套工藝也相當成熟，柔?；炷吝B續墻支護阻力大，具有一定的可縮性，能夠與沿空留巷圍巖變形相適應。柔?；炷翉姸壬仙^快，兩天即可達到設計強度，對頂板有較好的支撐作用，能有效降低頂板下沉。柔?；炷裂乜樟粝锊捎萌崮；炷林苽漭斔蜋C組進行施工，機械化施工，施工速度可以滿足高產高效工作面的施工要求。因此，本次研究采用巷旁支護決定采用柔模泵注混凝土巷旁支護技術。

2.1 巷旁支護體荷載計算

圖1 力學模型

根據查閱相關資料可知，計算巷旁支護體荷載的方法有“分離巖塊法”和“切頂法”。分離巖塊法是根據充填體上方的分離巖塊來計算巷旁充填體的載荷。切頂法是根據工作面回采過后在巷旁支護體的切頂作用下將頂板沿采空區一側切斷，同時巷道上方形成穩定的壓力拱，使得圍巖得到控制。由于本次研究的為堅硬頂板條件下的沿空留巷，頂板在巷旁支護體的作用下難以自行切斷，因此本次沿空留巷巷旁支護體載荷計算決定采用“分離巖塊法”。圖1為分離巖塊法計算力學模型。

式中：q為巷旁支護體載荷；bB為巷旁支護內側到煤幫的距離，即留巷寬度，取4.5m；x為巷旁支護寬度，初步取1.5m；bc為巷旁支護外側懸頂距，取0.5m；γ為頂板分離巖塊容重，取27kN/m3；h為采高，取4.2m；θ為剪切角，根據經驗選取為26°[4]；

將參數帶入公式（1）計算可得寬度為1.5m的支護荷載為：

根據相關經驗，巷旁支護體不僅受到頂板分離巖塊的重量，還受老頂轉到對直接頂的動壓影響，因此計算巷旁支護體載荷需在分離巖塊法的基礎上乘以動壓系數（1～2），為計算最大載荷考慮動壓系數為2。因此巷旁支護體最大載荷為：

qmax=8569.2×2=17318.4kN/m

2.2 巷旁支護體承載能力驗算

柔?；炷料锱猿涮铙w的承載能力計算公式如下：

式中：N2為巷旁支護體的承載能力；φ為構件的穩定系數，取1；fc為混凝土抗壓強度設計值，C25時為11.9N/m2，A為截面面積，為1500mm×1500mm。

由上述公式計算得巷旁充填體的承載能力為：

根據工程實踐經驗，當巷旁支護安全系數大于1.2時可認為支護強度滿足要求[4]，本項目中巷旁充填體的承載力為24097.5kN，沿空留巷頂板壓力為17318.4kN/m，安全系數為1.4，因此巷旁支護滿足安全要求。

3 頂板預裂切縫

由于雙柳煤礦頂板屬于堅硬頂板，在工作面回采過后易造成大面積懸頂，懸頂一方面會增加非工作幫實體煤的受力，另一方面懸頂的不正?？迓鋾ο锱猿涮铙w造成一定的沖擊破壞造成沿空留巷失敗。為防止采空區側的懸頂對巷旁充填體造成破壞，需要在工作面回采前，超前工作面預裂頂板。

我國著名學者何滿潮院士在常規爆破和控制爆破的基礎上提出了一種的雙向聚能爆破技術，該技術利用了巖石抗壓怕拉的特性，將藥包裝入帶有雙向孔的聚能管中，炸藥起爆后將在設定的方向形成聚能點射流，產生張拉應力，使圍巖沿著設定的方向集中受拉而在非設定的方向集中受壓，使得預裂炮孔沿設定方向貫穿，形成預裂面。由于巖石是被拉斷的，可以大大的減少炸藥的使用量，并且由于聚能爆破有著導向性能夠對圍巖進行一定的保護，該技術可以達到實現預裂的同時又可以保護巷道頂板。

根據雙向聚能爆破預裂切縫的原理可知頂板預裂切縫的關鍵參數包括切縫高度、角度以及切縫的鉆孔間距。

1）切縫高度。切縫高度值從順槽頂板平面到切縫向上發育的最大垂直距離稱為切頂高度。定向爆破切割順槽頂板是本次研究的核心環節，切縫高度應保證切斷上覆巖層中的堅硬巖層并且能夠保證工作面回采過后直接頂能夠在礦山壓力的作用下整體垮落。由礦井的地質資料可知上覆巖層有著6.5m高的堅硬巖層，因此本次研究的關鍵在于能夠切斷上覆6.5m的堅硬巖層，考慮直接頂的厚度可知此次切縫高度應為8.5m。

2）切縫角度。切縫存在明顯角度效應，合適的切縫角度不僅能夠使頂板順利垮落而且可以保護巷旁充填體，有助于使采場應力分布更加合理[5]。

3）切縫孔間距。聚能爆破技術的關鍵在于能夠沿著工作面推進方向形成一個切頂面，而炮孔間距這是影響預裂切縫的關鍵因素，炮孔間距太遠則無法貫通裂縫，間距太近則容易損壞頂板。

4 頂板預裂關鍵參數確定

根據上述分析結果，本節將通過數值模擬確定切縫角度，并通過頂板預裂切縫現場試驗確定預裂切縫鉆孔間距。

圖2 計算模型

根據雙柳煤礦工作面的綜合柱狀圖、井筒柱狀圖及鉆孔柱狀圖，數值模擬模型尺寸為長×寬×高=455m×250m×70m。模型的四個側面為位移邊界，限制水平位移，底部為固定邊界，限制水平位移和垂直位移。模型劃分705000個單元，734196個結點。模擬時順槽埋藏深度按此工作面煤層最大埋深考慮，取350m。煤層上覆剩余巖層（305m）的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。計算模型如圖2所示。

4.1 預裂切縫角度確定

根據上述的分析確定切縫高度為8.5m，并在此基礎上設計不切縫，切縫角度為0°、15°三種方案。通過對比不同切縫角度下巷旁充填體的受力情況，從而確定最合理的預裂切縫角度。

圖3 不同切頂方案下巷旁充填體垂直應力變化

由圖3可知，當采取超前預裂切縫技術時相比于不切頂時對巷旁充填體的受力情況有著明顯的改善，其原因是因為由于上覆頂板的巖性相當堅硬在工作面回采過后不能夠及時的垮落造成懸頂面積大而作用于巷旁充填體上，巷旁充填體的垂直應力大于其最大承載能力造成充填體的破壞沿空留巷無法保證；對比不同角度時的超前預裂切縫，切縫角度為15°時巷旁充填體的垂直應力均小于切縫角度為0°時的情況，其原因是因為有一定的切縫角度有利于頂板的垮落。因此本次研究確定最佳的切縫角度為15°。

4.2 預裂切縫鉆孔間距確定

根據現場條件，每個炮孔設計安裝4～5根聚能管，每根聚能管的規格為外徑φ42mm×長度1500mm×雙面260孔，使用3級煤礦許用乳化炸藥，符合GB12437—2000標準，Φ32mm，長度500mm，單孔裝藥13卷，封泥長度2000mm。

現場試驗方案：首先根據前期頂板窺視結果，進行單孔試驗，確定單孔最佳裝藥量及最佳空氣柱的長度，隨后進行連孔試驗，確定兩相鄰孔的最佳間距，連孔試驗方案包括孔間距 600mm、800mm、1000mm、1200mm，見圖 4。

根據不同鉆孔間距爆破試驗可得，孔間距為1000mm時預裂切縫較為平直，貫通效果好，且頂板未出現垮落；其他孔間距時出現了貫通效果差、切縫分叉以及頂板出現垮落等情況。因此最佳的切縫鉆孔間距為1000mm。

圖4 不同孔間距預裂爆破效果圖

5 現場實施效果分析

通過測試巷道圍巖位移分布，可了解巷旁充填體的工作狀態，進而驗證沿空留巷的安全可靠。

因此在33（4）16順槽設置1個綜合測站。距工作面100m左右安設，測站主要監測巷道表面位移并對巷道破壞狀況進行統計。如圖5為頂底板位移量隨工作面煤壁距測點的距離變化曲線及兩幫移近量隨工作面煤壁距測點的距離變化曲線。

圖5 頂底板位移量隨工作面煤壁距測點的距離變化曲線

圖6 兩幫移近量隨工作面煤壁距測點的距離變化曲線

由圖6可以分析得到，當33（4）16工作面軌道順槽受工作面采動影響，在33（4）16工作面前方30m處，順槽開始受工作面采動影響，巷道發生變形，頂底板和兩幫移近量逐步增加；測點由距離工作面前方30m至工作面后方110m，隨著工作面的推進，頂板離層量和頂底板移近量逐漸增加，巷道變形劇烈，位移量逐步增大。其中巷道頂底板移近量，在工作面前方20m～工作面后方30m范圍內頂底板移近量增加最劇烈，工作面后方30m之后頂底板移近量增加幅度逐漸變緩，到工作面后方130m，頂底板移近量逐步趨于穩定，巷道頂底板移近量最大值為59.61mm。巷道底臌量在工作面前方10m～后方20m范圍內增加幅度比較大，底臌量最大為16.43mm。在工作面前方，順槽左右幫為煤壁，兩幫移近量隨著工作面距離測點的距離變小，移近量越來越大，在工作面處移近量為31.19mm；在工作面后方，順槽左幫為混凝土墻，右幫為煤壁，兩幫位移量均不斷增加，在工作面后方40m范圍內兩幫移近量增加幅度最大，工作面后方40m之后，兩幫移近量變化逐漸平緩。兩幫移近量最大值為34.57mm。隨著工作面往前推進，工作面后方110m～130m巷道變形幅度變小，頂底板及兩幫移近量并逐步趨于穩定。分析圖表可知，工作面后方130m處巷道變形逐步趨于穩定。且柔?；炷翂碚搹姸仍谑懿蓜佑绊懫陂g能滿足安全生產需要。

因此由上述分析可知，受采動影響下巷道圍巖總體變形量較小，說明此次研究結果的正確性。

6 結 論

1）通過理論計算確定巷旁柔模混凝土墻體的寬度為1.5m能夠滿足實際的需要。

2）通過理論分析、數值模擬以及現場試驗確定超前預裂切縫的關鍵參數為切縫高度8.5m、切縫角度15°、切縫鉆孔間距1000mm。

3）通過現場觀測圍巖變形量可知巷道圍巖變形較小，說明此次沿空留巷試驗能夠滿足生產需要。